Mechanische materiaaleigenschappen

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Drukproef
Het drukstuk is verbrijzeld. Zie de longitudinale breuk

Geschiedenis[bewerken]

De eerste lessen in Mechanische materiaaleigenschappen werden gegeven door August Wöhler aan de universiteit van Göttingen in 1842.

Uitgangspunten voor de mechanische materiaaleigenschappen[bewerken]

De berekeningen zijn geldig wanneer het materiaal is:

  • elastisch (geen plastificatie),
  • lineair (geen onlineariteit),
  • homogeen (geen variatie in het gedrag van het materiaal),
  • isotroop (geen variatie op het gedrag volgens de richting. Zie Anisotropie).

Mechanische eigenschappen[bewerken]

Mechanische eigenschappen zijn:

Definitie van Normaalspanning[bewerken]

Een mechanische spanning is de kracht die wordt uitgeoefend per oppervlakte-eenheid. Spanning wordt aangebracht, met een uitrekking tot gevolg, kan dit worden weergegeven in een spanning-rekdiagram.

Treksterkte[bewerken]

Bij een trekproef wordt een monster, in de vorm van een genormaliseerde proefstaaf, in een trekbank geplaatst en vastgezet in twee klemmen. Door een, meestal hydraulische, aandrijving wordt het monster onder belasting gebracht. De uitgeoefende trekkracht wordt gemeten met een lastcel, en de verlenging van de staaf met een rekmeter of extensiometer. De treksterkte van een materiaal is een maatstaf om de mechanische eigenschappen van een materiaal te classificeren. Praktisch is de vloeigrens (soms ook de 0,2%-rekgrens) van veel meer belang, immers, als het materiaal tot de treksterkte komt, is het reeds sterk plastisch vervormd. De treksterkte is de maximale mechanische spanning die een materiaal bereikt als het plastisch vervormd wordt. Voor de meeste staalsoorten vindt dit plaats vóór het vloeien van het materiaal (= vloeigrens), en na de proportionaliteitsgrens (grens waarbij de Wet van Hooke geldig is). Als het materiaal deze spanning opgelegd krijgt en het wordt er op gehouden, dan zal er breuk optreden. Grafisch is dit duidelijk te zien in de zogenaamde spanning-rekdiagram. De treksterkte geeft op deze manier ook aan waar insnoering begint, tenzij het materiaal zo bros is dat dit niet plaatsvindt. Dan is de treksterke het moment van breuk. De eenheid van treksterkte is MPa (of psi) en kan variëren van 10 MPa en minder voor sommige polymeren tot meer dan 5000 Mpa voor koolstofvezels.

Druksterkte[bewerken]

Bij een drukproef wordt een monster, in de vorm van een genormaliseerde proefstuk, in een drukbank geplaatst en vastgezet. Door een hydraulische, aandrijving wordt het monster onder drukbelasting gebracht. De uitgeoefende drukkracht wordt gemeten met een weegcel. De druksterkte van een materiaal is een maatstaf om de mechanische eigenschappen van een materiaal te classificeren. De druksterkte is de maximale mechanische spanning die een materiaal kan verdragen voor het plastisch vervormd wordt. Als het materiaal deze spanning opgelegd krijgt, dan zal er breuk optreden. De eenheid van druksterkte is MPa of kN/cm² (of psi) en varieert van materiaal tot materiaal.

Hardheid[bewerken]

De hardheid van een materiaal is de weerstand die het materiaal biedt tegen permanente mechanische vervorming. Het begrip hardheid is van belang in de materiaalkunde, om de vereiste eigenschappen van (onder meer bouw- en constructie)materialen uit te drukken. De hardheid kan worden gemeten van zowel metalen, steen als kunststoffen. Het hardste algemeen bekende mineraal is diamant. Met diamant kan in elk ander materiaal gekrast worden. Als er met een voorwerp een (geringe) kracht wordt uitgeoefend op het oppervlak van een ander voorwerp, zullen beide voorwerpen in principe elastisch vervormen. Als de kracht wordt weggenomen, nemen de voorwerpen hun oorspronkelijke vorm weer in. Op het contactoppervlak treedt een bepaalde druk op, die in het voorwerp een bepaalde schuifspanning veroorzaakt. Als deze schuifspanning een bepaalde grens overschrijdt, ontstaat er een permanente indruk. Dan spreekt men van plastische vervorming. De druk waarbij lokaal een indeuking ontstaat, is kenmerkend voor de hardheid van het materiaal. Er bestaan verschillende meetmethoden voor de hardheid: Brinell (HB), Vickers (HV), Rockwell (HR) - veel toegepast in de VS.

De hardheid die volgens een bepaalde methode wordt gemeten, kan niet eenvoudig worden omgerekend naar de meetwaarde voor een andere methode, omdat de omstandigheden waaronder de proeven worden gedaan verschillend zijn.

Metaalmoeheid[bewerken]

Vermoeiing is een fenomeen waarbij een materiaal bezwijkt onder een wisselende, zeer lang aangehouden belasting. Door de wisselende belasting, kan er breuk optreden, zelfs indien de spanningen overal ver onder de maximale vloei- of breukspanning blijven. Vermoeiing die optreedt na een kort aantal cycli, minder dan tienduizend, wordt "low cycle fatigue" genoemd. Dit fenomeen werd het eerst ontdekt in Engeland, bij de eerste treinen. Het bleek namelijk dat treinassen veel sneller bezweken dan er (statisch) berekend was. De Duitse ingenieur August Wöhler (1819 – 1914), die bij de Duitse Spoorwegen werkte, onderzocht dit fenomeen verder. In zijn bedrijf waren er al verscheidene zware ongevallen geweest door breuk van treinassen en wielbanden. Hij ontdekte, dat het metaal van de defect gegane onderdelen door de wisselende belasting over de rails een lagere belasting kon verdragen dan bij een statische belasting. Voor diverse staalsoorten legde hij na uitgebreide proeven in grafieken – die wij tegenwoordig de Wöhlerkrommen noemen - het verband tussen materiaalspanning en aantal belastingswisselingen vast. Vermoeiing treedt op in metalen. Daar wordt het dikwijls metaalmoeheid genoemd. Sommige materialen hebben een maximaal spanningsniveau, waarbij nooit vermoeiing optreedt indien de wisselende spanning zich eronder bevindt (bijvoorbeeld staal en titanium), dit heet een vermoeiingsgrens en moet omzichtig behandeld worden, soms kunnen metalen hun vermoeiingsgrens verliezen door corrosie of een zuur milieu. Andere metalen (aluminium en koper) vermoeien bij elke spanning, hoewel de vermoeiing langer op zich laat wachten bij een lage maximumspanning.

Brosse breuk[bewerken]

De kerfslagproef is een gestandaardiseerde testmethode om gevoeligheid voor brosse breuk van staal te voorspellen. Het bestaan van "bros breken" is ontdekt door de opkomst van het lassen in de jaren dertig. Verschillende constructies bleken, meestal in de winter, plotseling te breken, zoals de stalen brug bij Hasselt (1938). Het vreemde was, dat het staal dat in deze constructies was gebruikt, bij trekproeven goed was gebleken. Om brosse breuk van staalconstructies te voorkomen is een testmethode ontwikkeld: de kerfslagproef, ook wel bekend als de Charpy-proef. De kerfslagproef wordt gebruikt voor onderdelen die op stoot worden belast, zoals drijfstangen en drijfstangbouten, maar vooral voor staal waaraan gelast moet worden zoals staalconstructies en drukvaten en dan vooral bij lage ontwerptemperaturen.

Externe links[bewerken]